Elektrokémiai fémleválasztás. Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre

Hasonló dokumentumok
Elektrokémiai fémleválasztás. Ötvözetek képződése elektrokémiai leválasztás során Szerkezet és összetétel, összetételi moduláció

Elektrokémiai fémleválasztás. Kristálytani alapok A kristályos állapot szerepe a fémleválásban

Fázisátalakulás Fázisátalakulások diffúziós (egyedi atomi mozgás) martenzites (kollektív atomi mozgás, diffúzió nélkül)

Neuróhr Katalin. Témavezető: Péter László. MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont SZFI Fémkutatási Osztály

Neuróhr Katalin május 23. Dr. Péter László. Témavezető: MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont SZFI Komplex Folyadékok Osztály

Válasz Dr. Inzelt György egyetemi tanár bírálatára

ELEKTROKÉMIAI FÉMLEVÁLASZTÁS

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2016/17. Szilárdságnövelés. Dr. Mészáros István Az előadás során megismerjük

Szilárdság (folyáshatár) növelési eljárások

Elektrokémiai fémleválasztás. Elektrokémiai leválasztással létrehozott nanostruktúrák

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Elektrokémiai fémleválasztás. Fémleválasztás idegen hordozón: Előleválás (UPD) Nukleáció

Általános Kémia, 2008 tavasz

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Programozható vezérlő rendszerek. Elektromágneses kompatibilitás II.

Szakértesítő 1 Interkerám szakmai füzetek A folyósító szerek viselkedése a kerámia anyagokban


7 Elektrokémia. 7-1 Elektródpotenciálok mérése

- Doktori értekezés - Neuróhr Katalin. okleveles vegyész. Témavezető: Dr. Péter László, Ph.D.

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

Ni Co ötvözetek elektrokémiai leválasztása pulzáló. technikával: fizikai és elektrokémiai tulajdonságok

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Elektrokémia kommunikációs dosszié ELEKTROKÉMIA. ANYAGMÉRNÖK NAPPALI MSc KÉPZÉS, SZABADON VÁLASZTHATÓ TÁRGY TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Kontakt korrózió vizsgálata

AMORF ÉS NANOSZERKEZETŰ ANYAGOK GYAKORLATI ALKALMAZÁSAI, ELŐÁLLÍTÁS ÉS FEJLESZTÉS BEVEZETÉS KÉT TIPIKUS ALKALMAZÁS

Diffúzió 2003 március 28

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

PN átmenet kivitele. (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód

Természetes vizek, keverékek mindig tartalmaznak oldott anyagokat! Írd le milyen természetes vizeket ismersz!

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

PHYWE Fizikai kémia és az anyagok tulajdonságai

és vékonyrétegek) előállítása elektrokémiai és kémiai redukciós eljárással

Tartalmi követelmények kémia tantárgyból az érettségin K Ö Z É P S Z I N T

Óriás mágneses ellenállás multirétegekben

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Válasz Dr. Visy Csaba egyetemi tanár bírálatára

Kiss László Láng Győző ELEKTROKÉMIA

Szilárdságnövelés. Az előadás során megismerjük. Szilárdságnövelési eljárások

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Acélok nem egyensúlyi átalakulásai


Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata 4. félév

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Transzportfolyamatok. összefoglalás, általánosítás Onsager egyenlet I V J V. (m/s) áramvonal. turbulens áramlás = kaotikusan gomolygó áramlás

Motor-Life Motor-Life

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011. tanév Kémia II. kategória 2. forduló Megoldások

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Elektromos áramerősség

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Lakos István WESSLING Hungary Kft. Zavaró hatások kezelése a fémanalitikában

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Reológia Mérési technikák

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK I. Elektrotechnika 4. előadás

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

TALAJVÉDELEM XI. A szennyezőanyagok terjedését, talaj/talajvízbeli viselkedését befolyásoló paraméterek

MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK. Korszerű galvántechnika: alacsony fémtartalmú saras rézfürdő kifejlesztése az Orionban BHG ORION TE RT A SZERKESZTŐBIZOTTSÁG BHG

Nanoszegregáció. Beke Dezső, Cserháti Cs.. Szabó I., Erdélyi Z. Debreceni Egyetem. Szilárdtest Fizika Tanszék

HŐKEZELÉS FÉMTANI ALAPJAI

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

Kétalkotós ötvözetek. Vasalapú ötvözetek. Egyensúlyi átalakulások.

Lótuszvirág effektuson alapuló öntisztuló felületek képzésére alkalmas vízbázisú bevonat

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Az anyagi rendszerek csoportosítása

Radioaktív nyomjelzés

A kémiai kötés magasabb szinten

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Számítástudományi Tanszék Eszterházy Károly Főiskola.

Textíliák felületmódosítása és funkcionalizálása nem-egyensúlyi plazmákkal

Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Kiss László Blog:

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek. N m J 2

TEROSON termékek a karosszériamunkák finiseléséhez

POLÍROZÁS A SZERSZÁMGYÁRTÁSBAN I. rész.

Kerámia, üveg és fém-kerámia implantátumok

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2009/2010. Kémia I. kategória II. forduló A feladatok megoldása

Korrózió kommunikációs dosszié KORRÓZIÓ. ANYAGMÉRNÖK LEVELEZŐ BSc KÉPZÉS TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Nanoelektronikai eszközök III.

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

Nemzeti alaptanterv 2012 EMBER ÉS TERMÉSZET

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

Művelettan 3 fejezete

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Vezetők elektrosztatikus térben

2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló KÉMIA. II. KATEGÓRIA Javítási-értékelési útmutató

MÉRNÖKI ANYAGISMERET AJ002_1 Közlekedésmérnöki BSc szak Csizmazia Ferencné dr. főiskolai docens B 403. Dr. Dogossy Gábor Egyetemi adjunktus B 408

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Kémiai energia - elektromos energia

5. Laboratóriumi gyakorlat. A p-n ÁTMENET HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE

Átírás:

Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre Péter László Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 1 Kiindulás: a felület atomi szintű szerkezetéről alkotott kép E. Budevski, G. Saikov, W. J. Lorenz Electrochemical Phase Formation and Growth VCH Weinheim, 1996. Fémleválás kis sebességgel (közel egyensúlyi körülmények): Az egyensúlyihoz közeli felületi adatom koncentráció, tipikus beépülési pont a teraszlépcső mentén Leválás nagy sebeséggel, azaz: egyensúlytól távoli körülmények, a teraszlépcsők közötti adatom koncentráció lényegesen nagyobb az egyensúlyi értéknél: a nukleáció valószínűsége nő Általában: minden más körülmény állandóan tartása mellett a leválási sebesség növelése a szemcseméret csökkenését eredményezi a nukleációsebesség növekedése miatt. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 2

Fémleválasztás és szemcseméret: a felületi fémion-koncentráció J. W. Dini: Electrodeposition Noyes Publication, USA, 1993. Általános elv: minden olyan hatás, ami a fémionok koncentrációját a felületen megnöveli, a szemcseméret növekedése irányába hat. Eszerint értékelhető a fenti diagramom szinte minden trend. Kivétel: adalékanyagok hatása (lásd a következő diákon) Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 3 Fémleválasztás: Az adalékanyagok Adalékanyagok: összefoglaló név. Minden olyan vegyület ide tartozik, amelyet az elektrokémiai leválasztáskor a fürdőhöz adunk, koncentrációjuk lényegesen kisebb a fémionokénál, és szerepüket nem az elektrokémiai átalakulás által fejtik ki. Kissé hasonlóak a katalízisben megszokott inhibitorokhoz (kis koncentráció, közvetlen átalakulás hiánya, reakciósebesség-csökkentő hatás). Az adalékanyagok rendszerint szerves anyagok különféle funkciós csoportokkal. Kémiai szerkezetüket tekintve sokfélék, csoportosításuk a hatás és nem a szerkezet alapján történhet. Az adalékok kutatása erősen tapasztalati jellegű, jó tudományos vezérelv alig van. Hatások: Levelling ~ kiegyenlítés: A felület (mikroszkopikus) egyeneltlenségeinek kiegyenlítése és egyenletes, kis érdességű felszín biztosítása Brightening ~ fényesítés: Optikailag kedvező, fényes felület biztosítása Továbbá: a bevonat mechanikai feszültségére gyakorolt hatás Egy érdekes összefoglaló a témában: L. Oniciu and M. Muresan; J. Appl. Electrochem. 21 (1991) 565. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 4

Fémleválasztás: Az elektromos vezetés és a leváló atom energiájának paradoxona anyagtranszport szempontjából preferált pont, ellenállás kicsi, de: a nagy görbület miatt a beépülő atom energiája kisebb, mint a tömbfázisban anyagtranszport szempontjából diszpreferált pont, ellenállás nagy, de: a negatív görbület miatt a beépülő atom energiája viszonylag nagy a síma felülethez képest leváló fém hordozó Az adalékanyagok szerepe: A mikroszkopikus kiemelkedéseken az adszorpció lényegesen nagyobb valószínűségű, mint a felület bemélyedő pontjain. A növekedés a kiemelkedéseknél blokkolható. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 5 Fémleválasztás: Az adalékanyagok további hatásai Az adalékanyagok a felületnek ugyanazon a pontjain adszorbeálódnak, mint amelyek a növekedés szempontjából preferáltak (teraszlépcsők sarokpontjai, csavardiszlokációk stb.). Az adalékanyagok jelenléte... - adott áramsűrűség mellett növeli a túlfeszültséget, növeli az adatom koncentrációt a felületen, ezáltal növeli a nukleáció valószínűségét, továbbá csökkenti a kristálynövekedés sebességét; - adott potenciál mellett csökkenti az áramsűrűséget, de a többi hatás a fentiekkel megegyezik. Eredmény: A megfelelően megválasztott adalékanyagok szemcsefinomodáshoz vezetnek. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 6

A leválási gátlás és az áramsűrűség együttes hatása a leváló fém szemcsézetére A jelölések kifejtése és magyarázatuk: FI: field-oriented isolated crystals (térorientált elkülönült kristályok) BR: basis-oriented reproduction (bázis-orientált növekedés) Z: twinning intermediate type (átmeneti ikerkristályos) FT: field-oriented texture (tér-orientált textúrált) UD: unoriented dispersion type (orientálatlan diszperziós típus) Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 7 René Winand, Electrochim. Acta 39 (1994) 1091. A Winand-féle diagram egy másik reprezentációja Az ilyen típusú diagramok közös problémája: Az inhibíció mértéke nem jól meghatározott fogalom, nem mérhető mennyiség, inkább csak a leválasztásból magából következtethető ki. Általánosan: Nagyobb adalék koncentrációhoz, erősebb felületi kötéshez nagyobb inhibíciós intenzitás tartozik. Walfried Plieth, Electrochemistry for Materials Science Elsevier, 2008. Komplexképzők: hasonló hatás! Komplexképzőt tartalmazó fürdőből mindig sokkal finomabb szemcsézetű fémet lehet leválasztani, mint egyszerű savas fürdőből. (Lásd: Au, Ag cianidos fürdők) Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 8

Egy konkrét példa az áramsűrűség hatására N. Ibl, in: Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering, Vol 2.; Wiley, New York, 1962. Cu leválása savas réz-szulfát oldatból 0,1 M CuSO 4 + 0,5 M H 2 SO 4 (ma is a savas Cu fürdők egyik alaptípusa) Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 9 A stabil szemcse fogalma Kísérleti feltételek: Fémleválás inert (idegen) hordozón, kis túlfeszültség mellett. A felületen fématomokból álló klaszterek (gócok) keletkeznek a termikus fluktuációk következtében. A gócok sorsa a méretüktől függ: a túlságosan kicsi gócok instabilak és feloldódnak, a megfelelően nagy gócok képesek növekedni. (Hasonló jelenség a kémiában másutt: kis csapadékszemcsék oldódása és az anyag kiválása nagyobb szemcsék felületén; kis gőzcseppek izoterm desztillációja a nagy cseppekbe; Ostwaldérés) 2 /3 A an N: a felületi gócot alkotó atomok száma A: a góc felülete G( N) N A N ze an 2/3 A gócképződéssel járó teljes szabadentalpiaváltozás egy térfogati és egy felületi tag összege. A térfogati tag a szabadentalpia-változásban megfelel az elektrokémai potenciálok különbségének a góc/elektrolit, illetve a stabil fém/elektrolit eseteket tekintve. A kémiai tagok értelemszerűen kiesnek, és a stabil fémfelületre mint referenciára viszonyítva marad a túlfeszültség. Ebből a szélsőértékhely megkeresésével: N KRIT 2 a 3 ze 3 : összetett kifejezés a felületi szabadentalpiák különbségéből Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 10

A stabil szemcse fogalma A gócméretet az alkotó atomok számával kifejezve: A gócméretet a gócátmérővel kifejezve: E. Budevski, G. Saikov, W. J. Lorenz Electrochemical Phase Formation and Growth VCH Weinheim, 1996. Walfried Plieth, Electrochemistry for Materials Science Elsevier, 2008. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 11 A szemcsemérettel kapcsolatos elterjedt tévedések N KRIT 2 a 3 ze 3 A fenti összefüggés egyensúlyra vonatkozik, és olyan esetet ír le, amikor a góc idegen hordozón jön létre. A kialakuló egyensúlyi helyzet metastabil. A gócképződéssel járó túlfeszültséggel és reális felületi energia adatokkal kapott kritikus gócméret értékek a 10 1-10 2 atom tartományába esnek. Ezzel szemben: Amikor kis szemcseméretű anyag leválasztása érdekében a túlfeszültséget növeljük, akkor egyensúlytól igen távoli helyzet valósul meg, és a tartós leválás a hordozó befedése után a saját anyafémen megy végbe. A szemcseméret a néhányszor tíz nanoméretes tartományban is legalább 5x10 4 atom. A kritikus gócméretre kapott összefüggés a szemcseméret változását a túlfeszültséggel egyetlen gyakorlatban előforduló esetben sem magyarázza meg. A két esetet szigorúan el kell különíteni. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 12

A szemcseméret jelentősége Hall-Petch egyenlet: összefüggés a szemcseméret és a keménység között H H 0 Kd 1/ 2 Ábrák: J. W. Dini: Electrodeposition Noyes Publication, USA, 1993. A szemcseméretnek egyéb tulajdonságokban is komoly szerepe lehet, pl. mágneses permeabilitás. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 13 A szemcseméret alakulása a leválasztás előrehaladtával Általános tapasztalat: Idegen hordozón a kialakuló szemcseméret kis bevonat vastagság esetén a rétegvastagsággal skálázható. (Lásd: pára az ablaküvegen) T. Watanabe: Nano Plating Elsevier, 2004. Elektrokémiai fémleválasztás: A kezdeti kis szemcseméret után olyan stabil növekedési szakasz következik, amelyben a szemcseméret és a szemcseorientáció a hordozótól független, és egyértelműen jellemző a leválasztás körülményeire. A növekedés irányában a szemcseméret szempontjából a bevonat rendre inhomogén. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 14

Impulzusos leválasztás mint a kristályméret befolyásolásának egy eszköze A tárgyalás alapja és az ábrák forrása: J.-C. Puippe and F. Leaman, Theory and practice of pulse plating American Electroplaters and Sufrace Finishers Society; USA, 1986. T ON : impulzusidő; T OFF : impulzusok közötti szünet időtartama T= T ON + T OFF : ciklusidő; = T ON / ( T ON + T OFF ) : cikluskitöltési tényező (duty cycle) j P : impulzus (vagy csúcs-) áramsűrűség; j m = j ON * átlagos áramsűrűség Bonyolultabb esetben több impulzus is lehet; ha az áram az impulzussor egy részében pozitív (anódos): fordított impulzusos leválasztás (reverse pulse plating) stb. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 15 A fémionok diffúziója impulzusos leválasztás során Alkalmas impulzushossz: a fémion felületi koncentrációja a tömbi koncentrációnál mindig kisebb, de sohasem lesz nulla. Impulzusos leválasztás során a diffúziós réteget két alrétegre bontjuk: stacionárius és pulzáló diffúziós rétegre. Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 16

A megfelelő csúcsáram a diffúzió sebessége és a cikluskitöltés függvényében Minél kisebb a cikluskitöltési tényező, annál nagyobb lehet a csúcsáram a diffúziós határáramhoz képest. Minél kisebb a teljes impulzushossz, annál nagyobb lehet a csúcsáram a diffúziós határáramhoz képest. Figyelem: Az átlagos áram sosem lesz nagyobb a diffúziós határáramnál. De az impulzusos leválasztásnak nem is ez a célja, hanem részben a szemcseméret hangolása, részben a felület borítottságának egyenletesebbé tétele. redukált impulzushossz: Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 17 A megfelelő impulzushossz tartománya impulzusos leválasztáskor Ideális négyszögimpulzus Kis kapacitív torzítás Nagy kapacitív torzítás Szinte teljes simítás Amit figyelembe kell venni: a kapacitív járulék a teljes áramhoz képest A kapacitív áram lecsengésének időállandója: t = R S C DL, ahol: R S oldatellenállás C DL felületi kettősréteg-kapacitás Ha T túl nagy: Megszakított egyenáramú leválasztás, az impulzusos leválasztás előnyei nem érvényesülnek. Ha T túl kicsi: A kapacitív hatások kisimítják az impulzust, és az olyanná válik, mint egy kissé modulált egyenáramú leválasztás. Jellemző helyes impulzushossz: T ON = 1-100 ms Jellemző cikluskitöltési tényező: 0,05-0,4 Elektrokémiai fémleválasztás Fürdőkomponensek és leválasztási módok hatása a szemcseméretre - 18